最新水声多径信道研究
水声多径信道研究
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中
难以克服的困难。
2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信
号才能有效的通信。
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水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
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几种海况下的多径现象
远距离(20~2000km)信道 由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的
频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信 系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道， Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 如果Tcoh>Ts，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
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多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。 对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ， 则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多 普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
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时延扩展 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
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1 水声信道的多途特性
水声通信技术研究进展及应用
水声通信技术研究进展及应用摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。
文章介绍了水声通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组成和国内外的发展现状。
最后对未来的水声通信技术作了预测。
关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理1 引言当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。
陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。
有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。
另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。
在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。
而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。
采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。
海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。
研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。
另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。
水声通信中的信号调制与解调技术研究
水声通信中的信号调制与解调技术研究在当今科技飞速发展的时代，通信技术的重要性日益凸显。
其中，水声通信作为一种特殊的通信方式，在海洋探索、水下监测、军事应用等领域发挥着至关重要的作用。
而信号的调制与解调技术则是水声通信系统中的核心环节，直接影响着通信的质量和效率。
水声通信面临着诸多独特的挑战。
首先，水声信道是一个极其复杂且多变的环境。
与电磁波在空气中传播不同，声波在水中传播时会受到吸收、散射、折射和多径效应等多种因素的影响，导致信号的衰减和失真。
其次，水下环境的噪声水平通常较高，这包括海洋生物发出的声音、水流的噪声以及船舶等机械产生的噪声。
此外，由于水的密度和压力等特性，声波的传播速度相对较慢，限制了通信的带宽和数据传输速率。
为了在如此恶劣的环境中实现可靠的通信，有效的信号调制与解调技术显得尤为关键。
信号调制是将原始信息加载到载波上的过程，其目的是使信号更适合在信道中传输。
在水声通信中，常见的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是最简单的调制方式之一，通过改变载波的幅度来传递信息。
然而，由于水声信道中的衰减较大，幅度调制容易受到噪声的影响，导致信号的可靠性降低。
频率调制则是根据信息改变载波的频率。
这种调制方式在一定程度上能够抵抗信道中的噪声和衰减，因为频率的变化相对较容易检测。
但频率调制也存在一些局限性，例如占用较宽的带宽，在带宽有限的水声信道中可能不太适用。
相位调制通过改变载波的相位来传输信息。
它具有较高的频谱效率，能够在有限的带宽内传输更多的数据。
但相位调制对相位误差较为敏感，在复杂的水声信道中容易出现相位偏移，从而影响解调的准确性。
除了上述传统的调制方式，近年来，一些新型的调制技术也逐渐应用于水声通信中。
例如，正交频分复用（OFDM）技术将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以独立地进行调制和解调。
这种技术能够有效地对抗多径效应和频率选择性衰落，提高通信的可靠性和数据传输速率。
现代水声通信技术发展
现代水声通信技术发展水声信道是一个十分复杂的多径传输信道，特性参数随着时-空-频的变化而随机变化，且在水声环境中，水声信道又表现出带宽窄、环境噪声高、传输时延大、载波频率低等缺点，使得传输数据率低、传输误码率高[1]。
因此，如何有效消除水声通信技术在运用过程中的诸多限制性因素，提高数据传输率，成为当下研究的一大热门课题。
为实现水声载体下的水声通信，下面结合相关专业理论知识，首先就水声信道的相关物理特性进行分析。
1水声信道相关物理特性探究声波是当前已知的在水中传输衰减最小的波动形式，稳定性与可靠性较高，因而在水下信息传输、水下探测等领域得到了广泛应用[2]。
在研究水声信道相关物理特性时，需要全面掌握声波在海洋中传播的复杂情况，而要想搞清楚这一状况，就需建立起多种复杂模型，在这多种复杂模型中，有一种模型立足于“信号系统”视角，将声传播的海洋环境看作是一个线性、随机时变的滤波器系统，该模型被称为水声信道。
1.1水声信道基本物理特性据探测，声波在海面附近的典型传播速率为150m/s，比电磁波的速率低5个数量级，因此，较之电磁波与光波，声波在海水中的衰减要小的多[3]。
实际上，水声信道是近似地满足广义平稳非相关散射条件的，且在该条件下，可实现“短时间内”的信道响应函数基本稳定。
且实践表明，复杂的水声信道会给水声通信系统的性能带来较大影响，且作为一个由海洋及其边界构成的十分复杂的介质空间，水声信道具有独特的上下表面与内部结构，可对声波产生诸多不同的影响。
总结以上分析可知，水声信道具有以下特性：①严重的多径效应。
在实际传输过程中，若实际水深小于传输距离，且同一波束内从不同路径传输的声波，会因为路径长度的差异，产生时间的延迟与能量的差异，导致信号展宽，波形码间干扰出现。
②环境噪声影响大。
水声通信中，影响通信质量的噪声因素来自多个方面，如水面作业产生噪音、水生生物活动产生噪音、沿岸工业活动产生噪音等，这些来源于不同路径的噪音无一例外会对信号的信噪比产生影响。
基于水声信道的通信方法及其性能分析
基于水声信道的通信方法及其性能分析一、引言随着信息技术的飞速发展，人类对于通信技术的需求也不断增加。
特别是在海洋和深海探测、水下机器人、海洋资源开发和保护等领域，对于高效稳定的水下通信技术越发迫切。
由于水声具有长距离传输和适应多种载体等特点，在水下通信中得到了广泛的应用。
本文将介绍基于水声信道的通信方法和其性能分析。
二、水声信道的特点水声传输信道的主要特点如下：1. 衰减大。
水声传输信道的衰减特征主要是频率依赖的、传播距离相关的、空间相关的和环境相关的。
2. 正弦成分丰富。
同时在水声信号中存在各种静态和动态的声学噪声，加剧了信号的复杂度和难度。
3. 时变信道特性。
水下信道的物理环境和水动力学过程均产生了时变效应，影响信号在传输过程中的衰减、时延和相位。
4. 多径效应和散射效应。
水声信源信号在水中经过多次反射、折射、衍射等散射现象而传输过程中，会造成多径效应和散射效应。
5. 可操纵性高。
水声信号能够被水中物体散射和吸收，使其能够被控制和操纵。
以上特点是水声信道特有的，对于水下通信系统的正确设计和信号处理至关重要。
三、基于水声信道的通信方法基于水声信道的通信技术包括传输协议、信号调制、信道估计、信号检测、编/解码和网络处理等环节。
1. 传输协议传输协议是用于在不可靠的信道上传输数据的方法。
传输协议可以用于数据传输，保证不可靠的信道上数据准确的接收，例如ARQ（自动重传请求）。
2. 信号调制水声信道的高噪声、大衰减和运动效应要求信号调制技术有很高的效率和较少的频谱使用。
调制技术的选择要根据操作环境，对抗噪声和抗多径性能等因素。
现在常用的调制方式有脉冲编码调制（PCM）、抗多径频率移位键控（FM）等。
3. 信道估计水声信道的时变性、多径和衰减等影响了传输信号的传播和接收。
正确的信道标定是确定接收信号的准确性的基础。
信道估计技术主要归纳为在线估计和离线估计两种。
在线估计是在信道变化时实时地进行估计，即时性强但计算量大。
水下声信道建模及其应用研究
水下声信道建模及其应用研究随着科技的不断进步，人类对海洋的探测和开发日益深入，水下通信也变得越来越重要。
但是，水下与地面和空中的通信方式有很大的不同，水下环境的湍流流动、海洋生物及海底地形造成的信道衰减等因素都增加了水下通信的困难程度。
因此，水下声信道的建模一直是水下通信研究领域的一个重要问题。
一、声信道建模方法在水下声信道建模中，主要的建模方法有统计建模法和物理建模法。
其中，统计建模法主要是根据已有的实测数据进行建模，而物理建模法则是通过对声波在短距离内的传播进行建模。
在实际应用中，两种方法都有各自的优势。
对于物理建模法，它的优点是能够考虑到水下环境中存在的各种真实现象和物理过程，从而可以提高水下通信的可靠性和效率。
同时，它也能够让我们更好的理解声信道的特性和影响因素。
但是，物理建模需要考虑到很多复杂的因素，如海底地形、海洋生物、海流等，所以模型的精度依然存在一定的局限性。
与之相比，统计建模法则是通过分析实际水下通信数据中的统计分布特征，来推断出水下声信道的统计特性。
由于它不受物理环境的约束，因此适用范围更广。
但是，统计建模法缺乏合理的物理解释，对于声信道的特性和影响因素理解较为有限。
综上所述，对于水下声信道建模来说，并没有绝对优劣之分的建模方法，我们应该根据实际应用场景选择最合适的建模方法。
二、应用领域探讨水下声信道建模的研究对于水下通信技术的发展有着至关重要的意义。
它可以为水下通信系统的建设提供理论支持，以及可靠性分析和改进方案的依据。
目前，水下声信道建模主要应用于水下通信领域中。
工程师们通过对信道特性进行建模来预测水下通信系统在实际环境下的性能，设计适应不同海域环境的水下通信系统，提高水下通信的传输质量，以及防范各种针对水下通信系统的干扰和攻击。
此外，水下声信道的建模也应用于声纳探测领域，如水下气体储集仓探测、水下生物探测等。
通过声波传播特性建模，可以实现对水下物体进行非破坏性探测，从而广泛应用于海洋科学研究和水下资源开发中。
【研究】ofdm水声通信信道估计技术研究
【关键字】研究OFDM水声通信信道估计技术研究水声信道是一个十分复杂的时-空-频变信道，其主要特征是复杂性、多变性、强多途和有限带宽。
声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多径效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干扰，给水声通信系统的设计带来了巨大的困难，信道中的相位起伏使得载波恢复和相干解调变得十分困难。
在常用的高速水声通信技术中，采用相位相干(PSK/QAM)调制要面对信道起伏时的相干解调问题，而且要适应收发端相对运动所带来的多普勒频移。
OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高的高速传输系统，引起人们广泛关注。
作为OFDM技术的关键之一，信道估计的好坏直接影响整个系统的性能。
目前常用的信道估计算法主要有导频信道估计和盲信道估计两种。
本文主要研究在具有导频拔出情况下常用的OFDM信道估计方法，并基于相同的导频图案下，对不同的方法进行分析比较。
1 OFDM水声通信系统模型根据水声信道的特点，以及所传数据的一些参数要求，给出了OFDM水声通信系统的模型，如图1所示。
这里有如下假设：已使用了循环前缀;信道冲击响应时间小于循环前缀;发送机和接收机完全同步;信道噪声是复的加性高斯白噪声。
输入的比特序列经过分组，根据采用的调制方式，完成相应的调制映射，在通过串并变化和拔出导频信息后，形成信息序X(k)，对X(k)进行IFFT，计算出OFDM已调信号的时域抽样序列，加上循环前缀CP(循环前缀可以使OFDM 系统消除信号的多径时延造成符号问干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，再作D/A变换，得到OFDM 已调信号的时域波形。
接收端先对接收信号进行A/D变换，去掉循环前缀CP，得到OFDM 已调信号的抽样序列，对该抽样序列作DFT得到原调制信息序列X(k)。
从接收方的角度看，当循环前缀的时间大于信道冲击响应时间，可以将与信道线性卷积转化为圆周卷积，可以得出OFDM系统的表达式：其中，Y(k)长度为N的接收序列，X(k)是长度为N的发送序列，h(n)为信道冲击响应(不足N长的部分添零补足)，ω(n)为信道噪声，H(k)为信道的频域响应。
水声通讯系统调研
0 引言通信技术的发展主要集中在空间通信上。
近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。
由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。
声波是目前水中信息传输的主要载体。
因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。
水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。
文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。
1 水声通信的历史水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。
世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。
早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。
如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。
模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。
70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。
采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。
随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。
数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。
随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。
作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。
水声信号的多通道处理与分析技术
水声信号的多通道处理与分析技术嘿，说起水声信号的多通道处理与分析技术，这可真是个有趣又充满挑战的领域！先来讲讲我之前的一次经历吧。
有一回，我跟着科研团队去了海边做实地考察。
那是一个阳光明媚的日子，海风轻轻吹拂着脸庞，海浪有节奏地拍打着岸边。
我们带着各种仪器设备，准备对周边的水声信号进行收集和分析。
当设备启动的那一刻，我心里充满了期待。
然而，一开始事情并没有那么顺利。
多个通道传来的复杂信号交织在一起，就像一团乱麻，让我们有些不知所措。
但大家并没有灰心，而是专注地盯着屏幕上的数据，一点点地梳理和分析。
这就好比我们在一个嘈杂的菜市场，要从各种吆喝声、讨价还价声中分辨出特定的声音一样。
而水声信号的多通道处理与分析技术，就是我们在这个“菜市场”里的“神器”。
多通道处理，简单来说，就是同时处理来自多个方向和位置的水声信号。
想象一下，水里就像有一个大型的交响乐团在演奏，不同的乐器（声源）发出不同的声音，我们要把每个乐器的声音都清晰地分辨出来，这可不容易。
比如说，我们可能会接收到来自不同深度的鱼群游动的声音，来自船只航行的声音，甚至是海洋深处地壳运动的微弱信号。
这些声音在水中传播，会受到水温、水压、水流等多种因素的影响，导致信号变得复杂和模糊。
而多通道处理技术就像是给我们戴上了一副超级眼镜，让我们能够看清这个“水下交响乐”中每个音符的来源和特点。
通过多个传感器（通道）的协同工作，我们可以获取更全面、更准确的水声信息。
在分析这些多通道的水声信号时，那可真是需要一双“火眼金睛”。
我们要运用各种算法和工具，把那些杂乱无章的信号转化为有意义的数据。
这就好像是在拼图，每一个小碎片（信号片段）都有着自己的位置和作用，只有把它们正确地拼接起来，才能呈现出一幅完整的画面。
比如说，有一种常见的分析方法叫波束形成。
它就像是一个智能的“声音聚焦器”，能够把多个通道接收到的信号进行整合和优化，让我们更准确地确定声源的方向和位置。
还有时频分析，它能帮助我们看清信号在不同时间和频率上的变化，就像给声音拍了一张“动态照片”。
水声多径信道多普勒因子精确估计方法
电声技 ２ ０ 第 ４ 第 ２ ｌ ７ ０ － ３卷 １ ｂ／ １ ￣ 期Ｉ ｌ 一
水 声 工 程
晌 ＠０ 圃 ＠ ，
＠⑥凹 瑚＠ 匡响⑨６ ￥ 回＠＠嗍响⑨
多 普 勒 的影 响 通 常 建 模 为
ｒ￡ ［１ ａ）］ （） （ ＋ ｔ （） １
ｒｔ＝ ｘ ［１ ｏ）ｌｎ ｔ （） ｈ ｓ（ ＋ｚｔ （） ＋
如下 ：
Ｌ Ｍ 信号可表示 为 Ｆ
，
（ ）在判 断 信 号 到 达后 ， 发 射 信 号 的 长 度 Ｄ， １ 按 取
ｓｔ＝ｉ（￣ ｌ （）ｓ ２ｒ抖 ｎ ｆ
） ∈［ ， ，ｔ ０ ７ ］
（） ５
尾部 Ｌ Ｍ信号 ， Ｆ 与首端 Ｌ Ｍ 作互相关 Ｆ
式 中 为 Ｌ Ｍ 信号 的起 始频率 ， Ｆ 为线性调频 信号 的 调制率 ，＞ ０为正调频 ，＜ 为 负调频 ， ／Ｏ ｘ 为信号脉 冲宽 度， 信号带宽为 Ｂ， 有如下关 系成立
其匹配滤波器输出的相关 波形在时间上发 生位移 。但 是， 由于大 多普勒 因子 和多径传 播 的影 响 ， 按照该 常
重的时 、 、 变信道 。水声信道 的复 杂性 及多变性严 频 空
重 限 制 了水 声 通信 性 能 。 别 对 于 移 动 水 声 通 信 ， 特 由于
但 是 该 方 法 以及 改 进 方 法 在 多径 传 播 情 况 下 估 计 性 能
声 波 在 海 水 中 的传 播 速 度 仅 为 １ ０ ／，而航 行 器 在 ０ ｓ ５ ｍ
因 子估 计 最 典 型 的 方 法 即 文 献 ［］ 提 方 法 ， 在 通 信 ３所 即
展 ， 界 各 国对 水 声 通 信 技 术 的要 求 非 常 迫 切 。 声 通 世 水
OFDM水声通信中信道估计与均衡技术研究的开题报告
OFDM水声通信中信道估计与均衡技术研究的开题报告
本文旨在探讨OFDM水声通信中信道估计与均衡技术的研究。
水声通信在海洋、河流等复杂环境中具有广泛应用。
OFDM技术是一种数字通信技术，具有抗多径衰落等优点，因此在水声通信中也得到了广泛应用。
然而，水声信道具有频率选择性衰落和多径效应，使得信道估计与均衡技术成为OFDM水声通信中的关键问题。
本文将分析水声信道的特点，介绍OFDM技术在水声通信中的应用，探讨OFDM 水声信道模型的构建方法，并详细讨论OFDM水声通信中的信道估计和均衡技术。
具体研究内容如下：
1. 水声信道特点和OFDM技术在水声通信中的应用
介绍水声信道特点，包括声速变化、频率选择性衰落、多径传播等。
然后介绍OFDM技术在水声通信中的应用，主要包括OFDM水声通信系统的基本原理、OFDM 水声通信系统的优点和缺点等。
2. OFDM水声信道模型的构建方法
建立OFDM水声信道模型是进行信道估计与均衡技术研究的前提。
本部分介绍OFDM水声信道模型的构建方法，主要包括理论模型、仿真模型和实测模型。
3. OFDM水声通信中的信道估计技术
展示基于时域和频域的信道估计方法，用于水声信道的估计，包括经典和现代算法，如MMSE、LS、LMS、SVM、DNN等方法。
4. OFDM水声通信中的均衡技术
在OFDM水声通信中，均衡技术是恢复受损信号的关键。
我们将介绍两种均衡方法，即基于时域和频域的均衡方法，如ZF，MMSE等方法。
本研究旨在提高OFDM水声通信的传输质量。
最后，我们将对本文的研究成果进行总结并展望未来的研究方向。
水声通信信道特性的建模与分析
水声通信信道特性的建模与分析水声通信是一种可以在水下进行的无线通信技术。
由于水声传播环境的特殊性质，水声通信的信道特性与地面无线通信等有很大的不同。
因此，为了优化水声通信系统性能，需要对水声通信信道特性进行建模和分析。
本文将从多路径传播、衰减、拓扑结构等方面对水声通信信道特性进行探讨。
一、水声通信多路径传播水声通信的信道会出现多径传播的问题。
多径传播是指一个信号在传播过程中沿着不同路径到达接收端的现象。
当这些信号到达接收端时，会出现一定的时间差和相位差，导致信号干扰和失真。
因此，需要对水声通信信道中的多径传播进行建模和分析，以便在设计系统时对这些影响进行补偿。
建立水声通信信道多径传播模型需要考虑多种因素，包括水声信号的频率、信道的拓扑结构、传播距离和传播路径等。
多径传播的影响可通过信道衰减、时延扩散等方式进行描述。
其中信道衰减是指水声信号在传播过程中由于能量损耗而逐渐减小，而时延扩散是指信号到达接收端的时间差异。
对于水声信号的频率选择，一般会优先选用非低频信号。
因为在水下的传播中，低频信号会因为衰减和多径传播的影响而表现出明显的失真，使得接收端无法准确地还原原始信号。
而非低频信号在传播过程中会受到少量的衰减和干扰，同时其信号特性不容易被多种复杂的传播环境影响，更容易在水声通信中得到较为准确的还原。
二、水声通信信道衰减水声通信信道中会产生一些因素导致信号的衰减，如传播距离、水下控制和干扰等等。
因此，了解和描述信道衰减的特点对于进行水声通信建模和分析是非常重要的。
在水声通信中，信号会因为许多因素而衰减。
实际上，水声信号的衰减总是存在的，其强度主要受到水中分子的散射和吸收、传播距离的增加、和海底或其他水下装置的干扰等因素的影响，这些因素使得传输过程中的信号强度逐渐减小。
因此，在水声通信中，必须要对信道衰减进行建模和分析。
在数学模型中，通常采用衰减模型、路径损耗模型、能量损耗模型等来描述和处理信道衰减。
水声传播中的多路径效应研究
水声传播中的多路径效应研究哎呀，说起水声传播中的多路径效应，这可真是个有趣又有点复杂的话题。
咱们先来讲讲啥是多路径效应。
你想啊，当声音在水里传播的时候，可不像是在空气里那样简单直直地就过去了。
水里面的环境可复杂多啦！比如说，水里可能有不同温度的水层，还有各种障碍物，像石头啊、水草啊之类的。
这声音一碰到这些东西，就会像个调皮的孩子一样到处乱跑，产生好多条传播的路径。
我记得有一次去海边玩儿，我潜到水里，想听听水里的声音。
我就发现，同样是远处一艘船发出的声音，有时候听起来很清晰，有时候又很模糊，还有的时候好像有好几个声音混在一起。
这就是多路径效应在捣乱呢！那这多路径效应到底是咋产生的呢？一方面，水的温度和盐度不均匀，会让声音传播的速度发生变化。
声音在不同速度的水里跑，就容易跑偏啦。
另一方面，水里的各种物体也会反射和折射声音，让声音走了弯路。
比如说，在一个大海湾里，声音从一艘船发出，一部分声音直接朝着岸边传播，另一部分声音可能碰到了海底的礁石，被反射到别的方向去了。
然后这些不同路径传播过来的声音，到达我们耳朵里的时间就不一样，强度也不同，就造成了那种听起来很混乱的效果。
多路径效应可不是光让人觉得耳朵里乱哄哄的，它对很多实际的应用都有很大的影响呢。
在水下通信里，如果不考虑多路径效应，那信息可能就传得乱七八糟，根本没法让人明白。
还有声纳系统，要是搞不清楚多路径效应，可能就会把一个目标当成好几个，或者根本发现不了目标。
科学家们为了研究这个多路径效应，那可是费了不少心思。
他们要在实验室里弄各种各样的水箱，模拟不同的水下环境，然后用各种精密的仪器来测量声音的传播。
有时候为了得到一个准确的数据，得反复做很多次实验，那真是需要极大的耐心和细心。
在实际的海洋研究中，研究人员还会把传感器放到海里，长时间地收集声音传播的数据。
这可不像咱们在家里放个闹钟那么简单，得考虑海水的压力、腐蚀，还有各种可能的干扰。
对于我们普通人来说，了解多路径效应也挺有意思的。
水声信号的多通道处理与分析方法研究
水声信号的多通道处理与分析方法研究关键信息项：1、研究目的2、研究方法3、数据来源4、研究进度安排5、成果形式6、知识产权归属7、违约责任8、争议解决方式1、研究目的11 本研究旨在开发和优化水声信号的多通道处理与分析方法，以提高对水下声学现象的理解和监测能力。
111 具体目标包括提高信号的分辨率、增强噪声抑制效果、精确提取信号特征以及实现多源信号的有效融合。
2、研究方法21 采用理论分析与实验验证相结合的方法。
211 基于声学传播理论，建立多通道水声信号处理的数学模型。
212 运用数字信号处理技术，如滤波、时频分析、波束形成等，对采集到的水声信号进行处理。
213 通过数值模拟和仿真实验，验证处理方法的有效性和性能。
214 开展实际的水池或海上实验，获取真实的水声数据，并对处理方法进行实际验证和优化。
3、数据来源31 实验数据将来自专门设计的水声实验平台、合作单位提供的实测数据以及公开的水声数据库。
311 确保数据的准确性、完整性和代表性，对数据进行预处理和质量评估。
4、研究进度安排41 第一阶段（起始时间 1结束时间 1）411 完成相关文献调研和理论基础的建立。
412 确定研究方案和技术路线。
42 第二阶段（起始时间 2结束时间 2）421 进行算法设计和模型开发。
422 开展数值模拟和仿真实验。
43 第三阶段（起始时间 3结束时间 3）431 进行实际实验，采集和处理真实数据。
432 对实验结果进行分析和总结。
44 第四阶段（起始时间 4结束时间 4）441 完善研究成果，撰写研究报告和学术论文。
442 准备项目验收和成果展示。
5、成果形式51 提交研究报告，包括研究背景、方法、实验结果、结论和建议。
511 发表高质量的学术论文，至少X篇。
512 开发相关的软件工具或算法代码，并提供技术文档。
513 申请专利（如有）。
6、知识产权归属61 研究过程中产生的知识产权归双方共同所有。
611 未经双方同意，任何一方不得擅自将知识产权转让或授权给第三方。
水声信号的多通道处理技术研究
水声信号的多通道处理技术研究在当今的科技领域，水声信号处理技术扮演着至关重要的角色。
特别是多通道处理技术，为我们探索水下世界、实现各种水下应用提供了强有力的支持。
水声信号的特点使得其处理充满了挑战。
水下环境复杂多变，声音在水中传播时会受到吸收、散射、折射等多种因素的影响，导致信号的衰减、失真和干扰。
这就好比我们在一个嘈杂且充满障碍物的房间里试图听清远处传来的微弱声音。
而多通道处理技术的出现，就像是为我们打开了一扇解决这些难题的窗户。
多通道处理技术的核心在于利用多个接收通道同时接收水声信号。
想象一下，多个耳朵同时倾听同一个声音，然后将这些听到的信息综合起来进行分析和处理。
通过这种方式，我们能够获取更多关于信号的信息，比如信号的来源方向、传播路径等。
在多通道处理中，波束形成技术是一项关键技术。
它可以通过对各通道接收信号的相位和幅度进行调整，实现对特定方向信号的增强和对其他方向干扰的抑制。
就好像我们拿着一个可以调节方向的麦克风，只对准我们想要倾听的声音来源。
这不仅提高了信号的信噪比，还能更准确地确定声源的位置。
空间谱估计技术也是多通道处理中的重要手段。
它能够对空间中多个声源的位置和频率等参数进行估计。
比如说，在一片嘈杂的水下环境中，有多个不同频率的声源同时发声，通过空间谱估计技术，我们可以分辨出每个声源的位置和频率特征，从而更好地理解水下的声学场景。
然而，要实现有效的多通道处理并非一帆风顺。
通道间的不一致性就是一个需要克服的难题。
由于制造工艺、安装位置等因素的影响，不同通道在灵敏度、相位响应等方面可能存在差异。
这就像一群人听力水平不一样，在听同一个声音时会有不同的感受。
为了解决这个问题，需要进行通道校准，确保各个通道能够“协同工作”。
另外，多通道处理需要大量的数据运算和存储。
这对于硬件设备的性能提出了很高的要求。
如果处理速度跟不上，就会导致信号的延迟和丢失，影响处理效果。
因此，高效的算法和强大的硬件支持是实现优质多通道处理的重要保障。
水声通信的新进展1
水声通信的新进展随着海洋事业的不断发展，利用水声信道来对潜艇进行远程水声通信已成为近年来国际上研究的焦点。
无人水下航行器(UUV); 水声信道恶劣的传输特性使得在海洋中实现远距离、高速率、高可靠的信息传输成为富有挑战性的研究课题。
在中远程海洋水声信道中，可用带宽窄、多途干扰强、信号起伏衰落严重等因素成为水声信息高速可靠传输的主要障碍，因此如何在远程水声信道中高速率准确地传输数据，成为水声通信技术一个难点。
随着人类利用和开发海洋活动的日益深入，人们对水声个人数字通信技术需求也日趋迫切，并且水声个人通信技术对国防建设和海洋经济的发展也有着极其深远的意义。
由于浅海水下信道受到多径传播和时变，空变的影响，声信号的畸变非常严重，为了实现水下信息安全准确和高速的传输，必须对水下信道特性，调制解调技术和水声通信中抗多径，抗衰落技术进行深入研究。
Digital Underwater Personal Communication水下个人数字通信Long Distance Underwater Acoustic Communication; 远程水声通信系统High Speed Underwater Acoustic Communication Techniquesnew underwater acoustic communication systemUWA Communication Technology Based on the Time Reversed Pattern Time Delay Shift Coding Array Processing Technology Based on the Vector-SensorUnderwater Navigation,Orientation and ComunicationVector Acoustic Field; 矢量声场;Acoustic Vector-Sensor; 声矢量传感器;Single Vector Hydrophone; 单矢量水听器;Acoustic Vector Time-reversal Mirror; 矢量反转镜;arrival Estimation; 方位估计; Time Delay Coding;时延编码shallow water channel; 浅水信道Underwater-acoustical Remote-control Buoy; 水声遥控浮标Phase-Coherent Communications and Adaptive Equalization for UWA Channels水声相位相干通信与自适应均衡;Joint Frequency and Phase Modulation Technique; 联合频率相位调制技术;Long Distance Underwater Acoustic Communication浅海水声数据传输技术研究【英文题名】Studies on Data Transmission Techniques in Shallow Water Acoustic Channels Underwater Sound Channel在人类探索和开发海洋的过程中,水声通信技术得到了迅速的发展,已经在海洋勘探、灾难预报、水下遥控、海洋信息采集、对潜通信等领域发挥着极其重要的作用。
水声信道抗多径效应技术研究
水声信道抗多径效应技术研究蔡晓冬;宗振;刘玉良【摘要】随着当今时代对海洋资源的大力开发,人们对水声通信质量的要求变得越来越高,在进行水声通信时,抗多径效应的研究尤为突出.为了得到更好的抗多径效果,首先研究了几种常用抗多径技术的性能及特点.然后通过将扩频通信技术和单载波频域均衡技术有机结合的方式来实现更有效的抗多径效应,并将这种改进的抗多径技术(基于扩频系统的单载波频域均衡技术)运用到水声通信系统中,进行舟山浅海海域水下通信实验.对比改进前后的通信效果发现,改进后的抗多径效果更佳.结果表明:运用这种基于扩频的单载波频域均衡法能改进水声通信系统的通信质量,为进一步研究抗多径技术提供了一定的参考.【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》【年(卷),期】2018(031)001【总页数】6页(P46-51)【关键词】水声通信;多径效应;扩频;单载波频域均衡【作者】蔡晓冬;宗振;刘玉良【作者单位】浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山 316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316000;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山 316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316000;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山 316022;浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316000【正文语种】中文【中图分类】TB56多径效应是指由于信号沿不同方向传播,经过不同路径到达接收端后叠加,从而引起接收信号的时域延展和幅值随机起伏的现象.水声通信中,由于信道中传输媒质的不均匀,海面及海底的边界不规整,与空中电磁波通信相比,受到多径影响更加严重.当今时代在海洋开发及研究中都需要用到水声通信技术,尤其是在海洋勘探和海中船舶导航与探测等技术领域.然而,由于多径效应会使得水声信号产生各种复杂的衰变和时延,从而对整个通信系统的可靠性产生严重影响.多径效应的存在使得水下无线通信操作难度提高,还对水下技术发展和海洋开发进程造成了影响.为克服多径传播的影响,人们常用扩频、载波信道均衡、正交频分复用和Rake接收机等技术手段来实现抗多径[1].针对水声通信中多径效应严重的特点,结合上述技术,本文提出一种改进的抗多径技术.通过在单载波频域均衡技术的基础上加入扩频技术,实现对单载波频域均衡技术的改进.实验验证了改进后的抗多径技术在水声通信中抗多径效果更好,此方法为抗水下多径干扰的研究提供了借鉴.1 多径效应对水声信号的影响在水声通信中,根据水声信道特点,信号的散射、折射、反射、损耗等现象极为常见,使得接收端接收到的信号为经不同路径衰减和时延后的各个子信号的叠加,而想要得到的直达信号往往在此过程中被掩盖,从而产生多径衰落.水声信道的特定环境特性也决定了水声通信信号具有一系列的时变特性、频变特性(多普勒效应)、频率选择性衰落特性和时空选择性衰落特性[2].水声通信受多径效应影响的最终结果是接收信号失真,而无法解调出原始信息.这种失真可以概括为受以下2种形式的影响.(1)多径影响：信号从信源出发到达接收机拥有多条传播路径,这些不同的路径使各路信号发生不同的时延和衰减,叠加后表现为多径效应.(2)时变影响：信号在时变的介质中传输,同时信源和接收机的相对位置都随时间改变,使得信号的幅值和相位具有时变特性[3-4].因此,在研究多径效应时,常常需在统计学基础上来进行分析.假设在高斯白噪声为零的理想情况下,可以将经多径衰落信道后接收机接收到的信号表示如下：式中,r(t)为接收信号;s(t)为信源信号;τ(n)表示第n个路径的时延;an(t)表示第n个路径的信号幅值随时间的变化[5].经BPSK(Binary Phase Shift Keying,二相键控)调制后,信源发射的信号形式如下：式中,fc表示载波频率;g(t)表示原始信号.将式(2)代入式(1)中,可得：设c(t)为等效的低频信号多径响应：则式(3)可以写为：假设基带信号为g(t)=1,则：由式(6)可知,单一频率的传输信号经多径信道后,信号就包含了多种频率分量,使信号发生频移.c(t)的均方根频谱宽度称为信道的多普勒频率扩展Bd.Bd表征了c(t)时域的变化快慢,Bd越小,即c(t)变化越慢[6].直达路径和最晚到达路径间的时延差称为信道的多径扩展Tm ,其倒数为相干带宽Bcd：由式(6)中的时变相位φn(t)可以推测,在不同的时变相位差情形下,叠加信号强度会在相位差为π时严重减弱,而在相位差为0时增强.这种复杂的幅值变化现象称为多径衰落[7].多径衰落可以分为很多不同类型.设信号的带宽为W,当W＜Bcd时,信号的所有频率分量都会同时衰落,这种衰落称为非频率选择性的衰落,又称为平坦衰落或瑞利衰落.当W＞Bcd时,信号中不同的频率分量衰落情况各不相同,称为频率选择性衰落[8].式(4)还可写成也可表示为当W＜Bcd时,cr(t)和ci(t)是零均值高斯,相位φ(t)在[0,2π]是均匀分布,因此幅度a(t)在统计上服从瑞利分布,所以被称为瑞利衰落.这种情况下,设符号间时差T=1/W,且T＞Tm,此时不会出现码间干扰,不过仍然存在退化特性,不可分解的相图分量会产生破坏性的叠加,从而造成信噪比实质性的减小[2]. 当频率选择衰落时,有T＜Tm,接收到的多路信号间的时延差已经超过了码元传输时间,因此会产生码间串扰.此时一般采用均衡技术来实现补偿,以消除多径影响.如果有2个在同一信道传输的信号,若两者的传输时间间隔小于相关时间Tct,则两者的衰减和变化形式可以视为相同,反之,则衰减变化形式不同.T＞Tct时,水声信道的衰落称为时间选择性衰落,反之则是时间非选择性衰落.其中,相关时间Tct 为多普勒频率扩展Bd 的倒数,表示在Tct时间内,水声信道的时变特性可以忽略.综上所述,多径信道衰落形式可分为以下4种：(1)当Tm＜T＜Tct 时,为非频率选择性衰落,也非时间选择性衰落,又称为瑞利衰落;(2)当T＜Tm 时,为频率选择性衰落;(3)当T＞Tct时,表现为时间选择性衰落;(4)当Tm＞T＞Tct时,表现为时间频率选择性衰落.在水声通信中,信号传输间隔一般小于多径扩展,因此主要受到频率选择性衰减的影响.这种衰减是非平滑衰减,会使接收到信号的时长展宽,同时由不同衰减系数、不同时延的信号叠加而成,使得信号有的部分被增强,有的部分被抵消,从而变得难以辨认[9].2 抗多径效应的技术及原理在水声通信系统中,为减少多径干扰对通信质量的影响,一系列抗多径技术被运用到水声通信系统中,其中包括扩频技术、加循环前缀的单载波码分多址技术、正交频分复用技术、单载波频域均衡技术等.本文重点讨论单载波频域均衡技术和扩频技术.2.1 单载波频域均衡单载波频域均衡技术为一种常用的抗多径技术,图1为单载波频域均衡系统的结构图.图1 单载波频域均衡系统的结构图信源产生基带信号为d(n),经调制后得到信号x(n),然后分成长度为N的数据块x0,x1,…,xk ,其中,将各个数据块末尾的Ng码元复制到该数据块首,得到加前缀的数据块s,其是由Nb=N+Ng个符号组成的序列.设多径信道的衰减运算矢量为h(n),并含有方差为σ2的高斯白噪声,接收信号为r(n).r(n)是由长度为Nb的数据块r0,r1,…,rk组成,其中,接收端接收到信号r(n)后,对其进行去前缀操作,得到y(n).将y(n)各数据块的 N 点进行快速傅里叶变换,转换成频域的Y(n).然后用频域均衡技术均衡后得序列(n),将其做快速傅里叶反变换得到ˆ(n),最后进行时域判决,即可得到原始的基带信号ˆ(n).2.2 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS)简称直扩,指的是直接用码速率很高的随机序列与信源产生的基带信号相乘或者模二加,从而达到扩展基带信号频谱的作用,即将窄带的原始信号隐藏于宽带频谱中.调制时,将以扩频的信号进行调制发射.接收端用相同且同步的伪随机码来实现解扩,恢复扩频前信号[10].扩频通信有着较好的抗多径效应能力,原因是扩频码具有着尖锐的自相关特性,以下则为其抗多径性能的理论论证.假设基带信号为m(t),扩频码为q(t),则扩频发射机的输出信号为：则经过多径信道接收到的直达信号可表示为：式中,0τ为直达信号的收发时延,A0为信号幅值.则除直达信号外,其他各路径信号叠加为：式中,τi为第i条路径的时延;iA为i条路径的信号幅值.假设总共k条路径到达接收端,则接收到的总信号为：式中,n(t)表示为零均值的高斯白噪声信号.接收端经过同步解调后,得到的输出信号为：可以将式(13)分为 3部分,其中,是有用信号,A0表示其幅值;第二部分为多径干扰;第三部分为高斯白噪声干扰,相比于多径干扰影响较小.文中着重讨论扩频对多径干扰的抑制情况.扩频系统的伪随机序列具有尖锐的自相关性,本文采用的m序列的自相关函数为：所以第二部分可以表示为又有因此最大干扰值为当0◅(τ-iτ0)◅Tc时,多径干扰造成平坦衰减,对系统影响不大,实际中也较为少见.当时,这种情况下的多径干扰是实际中主要发生的.当时,时延过大,说明传输路径很长,信号衰减非常严重,可忽略.因此可转化为上述两种情况讨论.结合式(13)第二部分及式(14)可得经过扩频系统后的多径干扰为相比于没有使用扩频的情况,多径干扰降低了 N倍,一般N≫ 1.由此可以得出,采用扩频通信技术可以有效进行抗多径[11].3 基于扩频的单载波均衡方法在单载波频域均衡技术中加入扩频,可以进一步提高水声通信系统的抗多径干扰能力.相比于单独的单载波频域均衡,它在数据分块前加入了信号扩频的环节,结构框图如图2所示.图2 基于扩频的单载波均衡系统框图将信源信号d(n)先用伪随机码q(n)进行扩频,得到信息编码d(n)⋅q(n).假设扩频后的编码序列为x(n),接着将x(n)分成k个长度为N数据块,用xi来表示第i个数据块.第i个数据块可以表示成矢量形式：添加前缀后,就可以得到Nb×1维的矢量S(i),矢量S(i)由加前缀矩阵Tcp 与矩阵xi相乘得到,其中,T=[0Ng(N-Ng)INg ],0a×b 表示全零矩阵,Ic 表示c阶单位矩阵.设水声多径信道的单位冲激响应为 L阶矢量h=[h0,h1,…,hL-1]T与冲激信号的卷积,则经多径干扰后,接收信号可表示为其中v(n)为高斯白噪声的 n维矢量.令为接收数据按长度Nb 分块后的第i个数据块,则接收到其中,v为维矢量.H0和H1都是Nb ×Nb矩阵,H1S(i-1)为第i-1个数据块的信息延时对第i个数据块的干扰.然后对ri进行去前缀操作,得到yi ,其中,为去前缀矩阵.当Ng≥L 时,就消除了前一个数据块对当前数据块的干扰.这时H表示N阶循环方阵：由此可知,当发射端采用分块传输和添加前缀的操作时,多经信道线性卷积的效果等价于圆周卷积,这样在接收端删除前缀后,信道传输矩阵成为循环矩阵.根据矩阵理论,循环矩阵可以被Fourier变换矩阵对角化,即F和FH 为互逆的酉矩阵,且设yi 快速傅里叶变化后得到Yi=Fyi 中的Yi=因此结合yi=可得令是白噪声信号.则可用图3来描述.从图3可以看到,多径效应在频率选择性衰减时,多径信道等价于N-1个并联信号的叠加.在任意一个单独的子信道中只含有一次乘性运算和一次加性运算,这样就可以使用 N阶频域线性均衡器来实现均衡,也可以采用有反馈的非线性均衡器来实现均衡操作.图3 单载波频域均衡并行处理模型将均衡后的频域数据变换回时域,进而对数据解扩和解调,得到发送的有用信号.在整个信号处理的过程中,加入扩频和解扩两个环节是此方法的创新性所在,使得系统抗多径能力得到较大提高.4 实验验证为了更好地说明改进后的抗多径方法较单一的扩频法或单载波频域均衡法有更好的抗多径效果,于舟山海域进行了多次水声通信实验,其中载波频率为 35kHz,基带信号频率为 1kHz.在采用相同载波调制方式和设备的前提下,分别将3种不同的抗多径方法加入到通信系统中,进行水声通信实验,实验结果如图4～图6所示.图4～图6为多次实验结果取平均所得,且单一抗多径方法下的多次实验结果类似,结果具有可重复性和可靠性.由图4可直观地看到,图中星点较为集中,但仍然能够发现星点大致分布在4个区域,分别对应于4个参考星点.星点较为散乱说明通信误差较大,即信号受多径干扰的影响较大.同时星点离原点距离较近,说明信号传输过程中幅值衰减较为严重.此时传输误码率介于3.5%～8.0%.图5中的星点分布较图5更加杂乱和分散,但与原点的平均距离更大,说明在采用直扩法时,信号受到更大的多径干扰影响,使得各星点的相位失真严重,但幅度衰减相对要小.此系统下传输误码率达6.0%～12.5%.图4 单载波频域均衡法星座图图5 直接扩频法星座图图6 基于扩频的单载波频域均衡法星座图图6反映了采用改进后的抗多径方法时的通信效果.图6相比与图4,图6无论是在相位失真方面还是在信号衰减方面都更加优越.从图中可以看到四处区分明显的星点簇,分别集中在参考点附近,说明此时的通信系统能较为可靠的传输信息.实验结果证明,它确实能正确无误地传输200位基带信息码元.由上述可知,在水声通信系统中采用基于扩频的单载波频域均衡法,比采用经典扩频法或单载波频域均衡法的通信性能更好.5 结论对经典的扩频抗多径法和单载波频域均衡抗多径法进行研究,结合两者各自的抗多径效应优势,设计了一种改进的抗多径方法—-基于扩频的单载波频域均衡法.理论分析表明,此方法的抗多径性能将比前2种经典方法更加出色.通过在舟山海域进行水声通信实验,分别测试了3种方法的抗多径效果,验证了所提出方法的有效性.新改进的抗多径方法将为进一步研究抗多径效应方法提供借鉴和参考.参考文献：[1]田日才,李宝升.直接序列扩频通信系统抗多径干扰能力的分析[J].移动通信,2004,28(S1)：152-155.[2]陈东升,李霞,方世良,等.基于多径参数模型和混合优化的时变水声信道跟踪[J].东南大学学报(自然科学版),2010,40(3)：459-463.[3]孙晔,易克初,向新,等.脉冲测距系统的多径干扰影响及消除[J].电子技术应用,2016,42(2)：28-31.[4]郭铁梁,张智勇,张琳.水声信道相干多径特性仿真研究[J].通信技术,2016,49(7)：799-806.[5]唐宗瑜.抗多径干扰的水声通信方案探讨[J].声学与电子工程,1998(3)：9-11;21.[6]孙丽君,孙超.一种用于多径衰落水声信道的盲均衡算法仿真研究[J].系统仿真学报,2005,17(3)：559-562.[7]金生龙,刘赞毅,黄峰,等.超声波测距中多径效应的仿真研究[J].传感器世界,2011,17(1)：29-31.[8]许娟,胡荣林,金鹰.改进混沌调制技术的抗多径干扰性能研究[J].通信技术,2009,42(2)：30-32.[9]姜芳,杜志强,谷晓鹏.对多径效应引起测向误差的分析[J].通信对抗,2004(4)：30-32.[10]谢飞,张忠臣,张鹏,等.多径效应对测向误差的影响[J].电子测量技术,2010,33(1)：29-31.[11]毛虎,杨建波,邱宏坤.多径效应对信号接收及方向测量的影响[J].电讯技术,2010,50(10)：63-68.。
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频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信 系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
8
几种海况下的多径现象
➢ 中距离(1~20km)信道 经由中距离信道传播所接收到的信号，其幅度和相位变化比较
严重，多径扩展可达到50ms~1s的量级。对于浅海情况，一般都能 够观察到由海面和海底所引发的多径。实际上，现在的大多数水声 通信系统都是作用在这类有着复杂的多径结构的中距离浅海信道的。 这种复杂的时变多径信道给数据传输的同步和均衡都带来了较大的 困难。
20
时延扩展 ➢ 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
多途传输造成接收信号在时间轴上的展宽，定义为时延扩展Δ。 水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究时延扩展Δ是对多途信道 时延特性的统计描述，其含义是表示时延谱扩展的程度。所谓时延谱 是由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱。时延谱的时延 特征曲线的均方根值为时延扩展Δ。
7
几种海况下的多径现象
海洋深度、传播路径长度、发射机和接收机的深度等因素的存在， 导致了水声多径传播的具体情况也是多种多样的。 ➢ 近距离(<1km)信道
近距离信道包括深海垂直信道和近距离水平信道。在这种情况下， 接收信号一般是由直接路径、海面反射产生的路径（有时候也会有由 海底所引发的路径）所传播来的信号的叠加。在这类信道中，信号的 幅度和相位变化相对地较轻微，一些针对电话信道所开发的信号调制 方法和信道均衡技术也是适用于此类信道的。
① 传输媒质固有的时变性，如海面风浪和海中湍流，其中海面风浪是主 要因素，并且随着海风风级的增强而增大。
B d0.01(f7 /C 5 )W 3/2co s
W：风速；θ：信号在表面反射时的随机入射角度；f：发射载波频率； C：海水中的声速。 ② 发射-接收端的相对移动。
Bd(V/C)f
V：系统的移动速度；C：海水中的声速；f：发射载波频率。
✓ 快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道， Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 ✓ 如果Tcoh>Ts，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
5
水深
水声信道的多径传播模型
声速
发射
接收
发射
a
b
(a)深海； (b)浅海
接收
6
多径的组成
多径一般分为宏观多径( macro-multipath)和微观多径 (micro-multipath)
➢ 宏观多径一般由海面、海底的单次或多次反射形成的，可以导致 信号的强烈起伏(fluctuation)以及大的码间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)。 ➢ 微观多径一般是由于信道中水团的不均匀性，使得声路径弯曲而 折射形成，也可以导致信号的起伏。
16
多普勒频展
多普勒频展的倒数定义为信道相干时间： Tco h1/Bd
相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由 于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句 话说，就是信道在时域具有选择性。
17
多普勒频展
时间选择性衰落
18
多普勒频展 信道的时变特性可分为两类：快衰落和慢衰落。
13
不同距离多途振幅如下图所示。(a)、(b)和(c)分别为500米、2公里 和5.5公里的数据。总的说来，多途振幅遵从于广义瑞利分布，但在距 离较近(如500米)和较远处（如5.5公里），A/σ较小，趋于瑞利分布。这 里，A为多途振幅，σ为多途迭加噪声的标准差。
14
多普勒频展 ➢ 多普勒频展Bd—多途接收信号的频域特性
10
1 水声信道的多途特性
➢ 多径衰落-振幅 ➢ 多普勒频展-频域 ➢ 时延扩展-时域
11
水声信道多途特性
多径衰落 振幅统计特性
多普勒频展 频域特性
时延扩展 时域特性
12
多径衰落 ➢ 多径衰落—多途接收信号的振幅统计特性
水声信道中，在一个信道码元的持续时间内，接收端会接收到由不同 路径到达的该码元的多个信号复本，这些信号复本的延时或者相位是随机 的，合成的结果就会造成在该码元持续时间内，接收信号的幅度随机起伏， 这种由于多途传播而引起的一个码元时间内的接收信号幅度的随机起伏称 为多径衰落。在浅海域大深度衰落是频发性的，时常衰到小至无法检测。
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中
难以克服的困难。
2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得浅
海中多途效应比深海严重得多。
3、当通信距离增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信
号才能有效的通信。
4
水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
19
多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。 对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ， 则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多 普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
声波在多途信道传播时由于多普勒效应造成接收信号的功率谱展宽 就是多普勒频展。尽管发射频率为单频 fs，但接收信号的功率谱S(f)的却 展宽到 fs-fm 到 fs+fm 的范围。这相当于单频信号在通过多途信道时受到 随机调频。
15
多普勒频展
在浅海信道中，多普勒频展可以认为是由以下两个截然不同的 因素引起的。
水声多径信道研究
目录
1 多径的产生及组成
2 水声信道的多途特性
3
抗多径技术
4 水声多径信道模型
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1 多径的产生及组成
➢ 多径产生的原因 ➢ 水声信道的多径传播模型 ➢ 多径的组成 ➢ 几种海况下的多径现象
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多径产生的原因
➢界面发射：海洋存在着海面和海底2个界面，声波传输 时会发生反射。 ➢声线弯曲：由于温度、盐度和深度的影响，不同深度 的声速分布不均匀，从而使声波发生折射。 ➢海水中随机分布的杂乱体的散射。